高分子材料在醫(yī)學中的應用

1、 高分子材料在醫(yī)學中的應用摘要：本文簡要介紹了高分子材料的醫(yī)用情況,詳細介紹了生物可降解醫(yī)用高分子材料的分類及應用現(xiàn)狀,并簡要介紹了生物降解高分子材料的定義、分類和降解機理。關鍵詞：高分子材料、醫(yī)學領域應用引言：合成高分子材料，特別是塑料、橡膠、纖維這三大合成材料的發(fā)現(xiàn)及工業(yè)化生產(chǎn)，為人類提供了大量價廉易得而性能優(yōu)異的新材料，它們在人們的日常生活和社會經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。 降解高分子材料1是指在使用后的特定環(huán)境條件下,在一些環(huán)境因素如光、氧、風、水、微生物、昆蟲以及機械力等因素作用下,使其化學結構能在較短時間內(nèi)發(fā)生明顯變化,從而引起物性下降,最終被環(huán)境所消納的高分子材料。根據(jù)降解機理1

2、,2的不同,降解高分子材料可分為光降解高分子材料、生物降解高分子材料、光-生物降解高分子材料、氧化降解高分子材料、復合降解高分子材料等,其中生物降解高分子材料是指在自然界微生物或在人體及動物體內(nèi)的組織細胞、酶和體液的作用下,使其化學結構發(fā)生變化,致使分子量下降及性能發(fā)生變化的高分子材料。1 生物降解高分子材料的定義和分類 生物降解高分子材料是指在一定的條件下, 一定的時間內(nèi), 能被微生物或其分泌物在酶或化學分解作用下發(fā)生降解的高分子材料2。生物降解的高分子材料具有以下特點: 易吸附水, 含有敏感的化學基團, 結晶度低,分子量低, 分子鏈線性化程度高和較大的比表面積等3。按照來源, 生物可降解高

3、分子材料可分為天然高分子和人工合成高分子兩大類; 按照用途, 分為醫(yī)用和非醫(yī)用生物降解高分子材料兩大類; 按照原料組成和制造工藝不同可分為天然高分子合成材料、微生物合成高分子材料和化學合成生物可降解高分子材料4。1.1天然高分子材料5,6 價格低廉,特別是天然產(chǎn)量居首位的纖維素和甲殼素,年生物合成量超過1010噸。利用它們制備的生物高分子材料可完全降解、具有良好的生物相容性、安全無毒,由此形成的產(chǎn)品兼具天然再生資源的充分利用和環(huán)境治理的雙重意義。 天然高分子材料雖然具有價格低廉、完全降解等諸多優(yōu)點,但是它的熱力學性能較差,不能滿足工程高分子材料加工的性能要求。1.2微生物合成高分子材料5,6,

4、7 微生物合成高分子材料是由生物通過各種碳源發(fā)酵制得的一類高分子材料,主要包括微生物聚酯、聚乳酸及微生物多糖,產(chǎn)品特點是能完全生物降解。 微生物合成高分子材料有良好的降解性和熱塑性,易加工成型,但在耐熱和機械強度方面還需改進,而且成本較高,現(xiàn)在只在醫(yī)藥、電子等附加值較高的行業(yè)得到廣泛應用。1.3化學合成高分子材料8 由于在自然界中酯基容易被微生物或酶分解,所以化學合成生物降解高分子材料大多是分子結構中含有酯基結構的脂肪族聚酯。聚酯及其共聚物可由二元醇和二元酸、羥基酸的逐步聚合來獲得,也可由內(nèi)酯環(huán)的開環(huán)聚合來制備。縮聚反應因受反應程度和反應過程中產(chǎn)生的水或其他小分子的影響,很難得到高分子量的產(chǎn)物

5、。開環(huán)聚合只受催化劑活性和外界條件的影響,可得到高分子量的聚酯,相對分子量高達106,單體完全轉化聚合。因此,開環(huán)聚合成為內(nèi)酯、乙交酯、丙交酯的均聚和共聚合成生物降解高分子材料的理想聚合方法。 合成高分子材料比天然高分子材料具有更多的優(yōu)點,它可以從分子化學的角度來設計分子主鏈的結構,從而來控制高分子材料的物理性能,而且可以充分利用來自自然界中提取或合成的各種小分子單體。不過在如何精確的通過設計分子結構控制其性能方面還有待進一步的研究。1.4摻混型高分子材料9 摻混型高分子材料主要是指將兩種或兩種以上的高分子物共混或共聚,其中至少有一種組分是可生物降解的,該組分多采用淀粉、纖維素、殼聚糖等天然高

6、分子。2 生物降解高分子材料的降解機理 一般高分子材料的生物降解可分為完全生物降解機理和光生物降解機理10。完全生物降解機理大致有三種途徑: 生物物理作用: 由于生物細胞增長而使聚合物組分水解, 電離質(zhì)子化而發(fā)生機械性的毀壞, 分裂成低聚物碎片; 生物化學作用:微生物對聚合物作用而產(chǎn)生新物質(zhì)( CH4、CO2和 H2O) ; 酶直接作用:被微生物侵蝕部分導致材料分裂或氧化崩裂。 而從化學角度考慮，聚合物的降解存在下列3種機制11：疏水性聚合物通過主鏈上不穩(wěn)定鍵的水解變成低相對分子質(zhì)量、水溶性分子。不溶于水的聚合物通過側鏈基團的水解、離子化或質(zhì)子化，變成水溶性聚合物。不溶于水的聚合物水解掉不穩(wěn)定

7、的交聯(lián)鏈變成可溶于水的線型高分子。3生物降解高分子材料的應用 生物降解高分子材料具有無毒、可生物降解及良好的生物相容性等優(yōu)點, 所以應用極為廣泛, 可用于醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、園林、包裝衛(wèi)生、化妝品等領域, 研究最熱的當推醫(yī)用生物降解高分子材料。3.1藥物/基因控制釋放系統(tǒng)13,14為了使藥物達到最佳的治療效果，必須使藥物在指定的時間內(nèi)按預定的速度釋放到指定的治療部位。用可降解高分子材料制成的納米顆粒作為藥物/基因控制釋放系統(tǒng)是目前的研究熱點。 在藥物控制釋放體系中, 藥物載體一般是由高分子材料來充當?shù)? 它們可分別用在不同的控制釋放體系中, 如凝膠控制釋放、微球和微膠囊控制釋放、體內(nèi)埋置控制釋放、靶向

8、控制釋放等等。由于這些聚合物具有被人體吸收代謝的功能, 與不可降解的藥物載體聚合物相比, 具有緩釋速率對藥物性質(zhì)的依賴性小、更適應不穩(wěn)定藥物的釋放要求及釋放速率更為穩(wěn)定等優(yōu)點。初期的藥物控制釋放體系是將活性物質(zhì)加載到高分子基質(zhì)中,然后再輸入人體。在該體系中, 藥物釋放主要是由擴散驅動, 而后高分子基質(zhì)本體水解。這方面用得較好的是DLLA( 無規(guī)右、左旋乳酸) /GA( 乙交酯) 共聚物。PGA 是高度結晶的高分子, 具有很高的降解速率。而 PDLLA 是無定形材料, 藥物滲透性低, 降解速率高14。作為藥物控制釋放載體被廣泛研究的生物降解高分子有聚乳酸、乳酸- 己內(nèi)酯共聚物、乙交酯- 丙交酯共

9、聚物等脂肪族聚酯以及天然高分子材料甲殼素/殼聚糖及其衍生物。藥物/基因納米載體優(yōu)點是：具有高度靶向、藥物控制釋放、提高難溶藥物的溶解率和吸收率、減少了給藥量和給藥次數(shù)、提高了藥物的利用效率，而且很大程度上減少了藥物對全身，特別是對肝、腎的毒副作用。3.2外科手術縫合線15,13 生物降解性手術縫合線既可以縫合傷口, 又可在傷口愈合后自動降解, 不需再拆除, 所以發(fā)展越來越快。最初采用的生物吸收性縫合線是腸線16, 腸線的初期彈性率小, 平滑性優(yōu)良, 結節(jié)部位穩(wěn)定性好, 但同時也存在機械強度損失快, 處理不方便, 必須用濕的縫合線縫合傷口, 易引起組織發(fā)炎, 分解速度過快等缺點?，F(xiàn)改進采用聚乙交

10、酯、聚 L- 丙交酯( PLLA) 及其共聚物制成的外科縫合線, 目前已商業(yè)化。由于 PGA、PLLA 等單絲縫合線太硬, 強度小, 所以現(xiàn)階段的研究熱點是如何提高縫合線的柔軟性和機械強度, 同時加入增塑劑增加線的韌性和調(diào)節(jié)降解速度。研究發(fā)現(xiàn), 用甲殼質(zhì)制成的手術線不但機械性能良好, 打結不易滑脫, 而且無毒性。用改進工藝制成的單根甲殼質(zhì)纖維縫合線在使用初始1015天中有很大的強度, 而此后強度迅速下降, 有利于生物體的迅速吸收13。3.3骨內(nèi)固定材料17,18 骨內(nèi)固定材料的應用包括兩個方面, 一是要求植入聚合物在創(chuàng)傷愈合過程中緩慢降解, 主要用于骨折內(nèi)固定高分子材料, 如骨夾板、骨螺釘?shù)?

11、 另一類要求在相當時間內(nèi)聚合物緩慢降解, 在初期或一定時間內(nèi)在高分子材料上培養(yǎng)組織細胞, 讓其生長成組織、器官, 如軟骨、肝、血管、皮膚等。3.4組織修復14,19 將聚乳酸及其共聚物用作支撐材料，在其上移植器官、組織的生長細胞，使其形成自然組織，稱為外科替代療法，即組織工程。采用具有生物降解性及生物相容性的高分子作為組織工程的的植入物，其優(yōu)勢在于可避免非降解材料長期存在造成的免疫排斥及其綜合癥，可使新生組織逐漸生長滲入植入物并完全取代植入的細胞支架，長成預定形狀的組織。目前已在肝細胞、皮膚細胞、軟骨、血管修復、神經(jīng)修復等方面應用。聚酯，特別是聚-羥基酯（如聚乳酸、聚乙醇酸及聚-己內(nèi)酯等）組織

12、工程領域得到了廣泛的應用。近年來, 由于合成生物可降解高分子具有比天然高分子更優(yōu)越的性質(zhì), 合成高分子PLLA、PGA 和 PLGA 作為支架材料, 其合適的性質(zhì)、合適的降解速率已獲得了美國食物及藥物管理局( FDA)的認可。PLLA 的物理化學性能能讓它作為象肝這樣的軟組織, 象軟骨和骨骼這樣的硬組織的支架材料; PGA被用作細胞移植和器官再生的人造支架; PLGA 被用于腸和肝的再生以及骨組織工程上。3.5組織工程材料 組織工程學是近10年來新興的一門交叉科學，它是應用工程學的原理和方法來了解正常和病理的哺乳類組織結構 - 功能關系，以及研制生物代用品以恢復、維持或改善其功能的一門科學20

13、。組織工程等技術的創(chuàng)立標志著生物醫(yī)學材料科學的發(fā)展進入了一個嶄新的階段。組織工程的核心是建立由細胞和生物材料所構成的三維復合體，其中由生物材料所構成的細胞支架的作用是為細胞增殖提供空間，使細胞按照生物材料支架的構形分化、增殖，最終成為所要求的組織或器官。因此，細胞支架不但應使細胞能進行氣體交換、排除代謝廢物，同時還能為細胞增殖提供營養(yǎng)物質(zhì)21。組織引導再生(guided tissue regeneration, GTR)是近幾年發(fā)展起來的一項促進組織再生性愈合的新理論及新技術，醫(yī)用組織引導再生材料的研究是國內(nèi)外生物材料研究的熱點之一。我們所期待的降解材料是先選擇性地引導組織再生，當這一過程完成

14、時，材料完全降解或被組織吸收。據(jù) Fleisher、Magnusson、Blumenthal等的研究報道22，乳酸與乙交酯共聚物膜、聚乳酸膜和膠原膜等是一類較理想的 GTR 材料。孫毅23等報道聚吡咯在神經(jīng)組織、皮膚、肝臟、腎上腺、骨和血管中都有廣泛的應用。此外，聚乙交酯(PGA)、聚乳酸(PLA)及乳酸與乙交酯的共聚物(PLGA)用于組織工程進行肝的再生，具有很好的生物適應性24。3.6人工皮膚25 目前在臨床中得到應用的皮膚修復材料分為兩大類:一類是天然皮膚(包括自體皮、異體皮或異種皮)或動物組織(羊膜、胎盤、腹膜等);另一類是人工皮膚,原料取自于天然高分子(膠原、甲殼素等)或合成高分子(

15、尼龍、滌綸、硅橡膠等)。組成人工皮膚的材料如表-2所示。醫(yī)學領域對生物可降解高分子材料的需求方向：更好的機械性能:較高分子量的聚乳酸等的合成是提高其機械性能的努力方向之一,無毒高效催化體系的尋找是其關鍵所在?？刂平到馑俣?目前主要是制件的形狀即與活體環(huán)境的接觸面積來控制速度以后的方向是通過親水性功能的引入及共聚的比例和控制來調(diào)節(jié)降解速度。良好的生理活性:目前最熱門的聚羥基烯酸難以進一步功能化,以引入生理活性物質(zhì)如酶、藥物等來增進其生理活性。藥物擴散速度的控制:通過聚丙交酯,聚已內(nèi)酯嵌段共聚來達到降解和透過性能兼容。結束語： 從環(huán)境保護、合理利用資源、合成新型材料等角度都說明可生物降解高分子材料

16、具有良好的發(fā)展前景，因此已成為化學家、生物學家和環(huán)境學家共同感興趣的一個研究領域。高分子材料的研究開發(fā)方興未艾，任重道遠。參考文獻：1賀愛軍.降解塑料的開發(fā)進展J .化工新型高分子材料,2002,30(3):17.2王身國.可生物降解的高分子類型、合成和應用J .化學通報,1997,2:4548.3鐘世云, 許乾慰, 王公善編著.聚合物降解與穩(wěn)定化M.北京:化學工業(yè)出版社, 2001.4袁華, 任杰, 馬廣華.生物可降解高分子材料的研究與發(fā)展J.建筑材料學報, 2002, 5( 3) :263- 265.5翁端,等.環(huán)境高分子材料發(fā)展與展望第三屆國際環(huán)境高分子材料大會綜述J .高分子材料導報,

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